Durante un'esercitazione di collaudo d'armi, eseguita dal Laboratorio Bellico della Marina, viene rinvenuto il cadavere dell'artigliere Danny Backer. Paradossalmente è stata proprio la sua ex-fidanzata Diana Murphy, a sganciare il missile che lo ha dilaniato. Durante le indagini però, l'NCIS scopre che Backer era già morto quando la Murphy ha fatto fuoco. L’improvvisa fuga della donna, fa pensare che lei sia coinvolta in qualche modo nell'omicidio... Nel frattempo, Palmer è impegnato nelle selezioni di un nuovo assistente.